面向对象的三大特点

C#是一种面向对象的编程语言，广泛用于开发各类应用程序。同时，C#作为一种多范式语言，也支持面向过程编程。面向对象的特点我们耳熟能详，但新手可能会说不清楚，为什么要这样设计。今天我们就对面向对象的三大核心特点：封装，继承，多态来进行超详细讲解。

面向对象编程是一种以对象为中心的编程范式，它将数据和操作数据的方法组合成对象。在面向对象编程中，程序被组织成一组相互作用的对象，这些对象通过彼此发送消息来传递数据。
面向过程编程是一种以过程为中心的编程范式，它主要关注解决问题时所需要执行的步骤。在面向过程编程中，程序被组织成一系列的函数或方法，这些函数或方法按照特定的顺序被调用来完成任务。

封装（Encapsulation）

public class BankAccountWithoutEncapsulation
{
    public decimal Balance; // 公开的余额字段

    public void Deposit(decimal amount)
    {
        Balance += amount;
    }

    public void Withdraw(decimal amount)
    {
        Balance -= amount;
    }
}

举一个简单的小例子，假设一种场景，有一个银行账户类，包括余额和存取款方法等。如果直接将余额设为public，其他类能直接从外部访问账户类的余额信息，这种设计存在一些问题：

• 数据不受限制：外部代码可以随意修改Balance字段，而没有任何限制，这可能导致不合法的操作，如负数余额。
• 无法实施验证：无法在存款或取款方法中实施验证，以确保金额不为负数或其他不合法值。
• 缺乏安全性：敏感的账户余额可以在外部被直接访问，而不受任何控制。

这种设计明显是不合理的，那么应该怎样修改呢？我们可以试着将Balance声明为private，添加一个public方法来访问Balance，外部代码无法直接访问它，而必须使用公共方法来与余额进行交互，这样就解决了上述问题。

public class BankAccountWithEncapsulation
{
    private decimal balance; // 私有的余额字段

    public decimal GetBalance()
    {
        return balance; // 通过公共方法返回余额
    }

    public void Deposit(decimal amount)
    {
        if (amount > 0)
        {
            balance += amount;
        }
    }

    public void Withdraw(decimal amount)
    {
        if (amount > 0 && balance >= amount)
        {
            balance -= amount;
        }
    }
}

这就是一个简单的运用了封装的例子，体现了封装的数据隐藏和安全性。
那么具体什么是封装呢？封装其实就是一种将数据（属性）和操作数据的方法（方法）组合成一个单元，并且把这些内部细节隐藏起来，只暴露必要的公共接口供其他对象访问的机制。封装的主要目标是隔离对象的内部实现，以提高代码的可维护性、安全性和可重用性。封装的关键概念包括：

• 数据隐藏：封装将对象的数据（通常是字段或属性）设为私有或受限访问，使其不能直接被外部对象访问，从而防止外部对象直接修改或破坏对象的内部状态。

• 公共接口：封装通过提供公共方法或属性，允许其他对象与封装对象进行交互。这些公共接口定义了外部对象可以如何与对象互动，并提供了访问对象数据和执行对象操作的途径。

• 数据验证和保护：通过封装，可以在公共接口中添加数据验证逻辑，以确保数据的合法性，防止不合法的访问和修改。

• 隐藏实现细节：封装允许对象内部的实现细节保持私有，外部对象不需要了解对象的内部工作原理，只需要知道如何与对象互动。

• 安全性：封装提高了数据的安全性，因为外部对象无法直接访问和修改对象的私有数据。

通过封装，面向对象编程能够将复杂性管理在对象内部，提供了清晰、简化的公共接口，使代码更易于理解、维护和扩展，有助于构建模块化、可靠和可维护的应用程序。

继承（Inheritance）

继续假设这样一个场景，我们想做一个动物管理系统，涉及到很多个动物种类，假如直接为每一种动物都写一个类，那么每一个类都要包含名称，种类，科属等字段，并且每一个类都会有一些相同的方法，例如吃饭，休息等。这样写下来代码就会有非常大的重复和冗余。那么该怎样改进呢？
我们可以将这些动物的共同属性和方法提取出来，放在一个类中，提供一个基础的框架，以定义动物的基本属性和行为。在这个框架的基础上，每个动物类都可以添加自己独有的属性和方法，例如”Cat”类可以添加属性”毛色”和方法”捉老鼠”，”Bird”类可以添加属性”翅膀长度”和方法”飞翔”。
这就是继承的思想。这个被提取出来的公共类就叫做基类，在这个框架的基础上进行拓展的类就叫做派生类。继承允许我们构建层次化结构，其中基类定义了共享特征，而派生类继承这些特征并添加特定于自身的内容，从而实现了代码重用和抽象化，这有助于更清晰地表示现实世界中的关系和层次结构。继承的好处非常多，例如：

• 代码重用：继承允许子类（派生类）继承父类（基类）的属性和方法，从而避免了重复编写相同的代码。这促进了代码的重用，减少了代码冗余。
• 抽象化和通用性：基类可以定义通用的属性和方法，捕获多个子类之间共享的特性。这种抽象化有助于更好地建模现实世界的关系，并提供通用性。
• 层次化组织：继承允许创建层次结构，通过将相关的类组织在一起，更清晰地表示它们之间的关系。这有助于代码的结构和理解。
• 可扩展性：新的子类可以轻松地添加到继承层次结构中，而无需修改现有的代码。这提高了应用程序的可扩展性，使其能够适应新的需求。
• 维护性：继承有助于代码的维护，因为通用代码只需在一个地方维护，而不需要在每个子类中进行修改。这降低了维护的成本。
  -多态性：继承是多态性的基础。多态性允许不同的子类对象对相同的方法进行不同的实现，从而提高了代码的灵活性和可扩展性。
• 封装实现细节：基类可以封装实现细节，隐藏其内部工作原理，允许子类专注于其独特的功能。
• 重用已有类：继承允许在现有类的基础上构建新的类，以便重用已有类的功能，并添加新的功能。

总之，继承是面向对象编程中的重要概念，它提供了许多好处，包括代码重用、抽象化、层次化组织、可扩展性、维护性和灵活性，这使得继承成为构建复杂应用程序的强大工具。

继承的传递性：传递机制 a->b，b->c，c具有a的特性。
继承的单根性：在C#中一个类只能继承一个父类，不能有多个父类。

多态（Polymorphism）

多态是个比较抽象的概念，我们可以继续通过一个小例子来理解多态的概念。回合制游戏中，往往有这样一种场景：场上有一组不同类型的怪物，例如巨魔，巫师，恶龙，怪物依次对玩家进行攻击。假设没有继承和多态，需要为每种类型的怪物都设置一个列表，巨魔列表，恶龙列表，狼人列表，依次遍历所有列表，调用对应怪物类的Attack方法来对玩家进行攻击。
再有了继承的概念之后，我们可以将所有怪物的共同属性和方法提取出来，变成一个Monster基类，不同怪物类都可以继承Monster类，这样就只需要一个List<Monster>就能管理所有怪物，不需要多个列表。
但这样依然会有一个问题，在遍历这个列表的过程中，我们需要依次判断列表元素对应的怪物种类是什么，然后再执行对应怪物子类的攻击方法，这样做依然很不方便，需要大量的switch和if语句，这时候，就引入了多态的概念。
多态是什么呢？多态顾名思义，就是对象的多种状态。它表示在不同的对象上可以执行相同的操作，但这些操作可以根据对象的实际类型而具有不同的行为。多态性的核心思想是：在同一个方法或属性被不同类的对象调用时，可以根据对象的实际类型来执行不同的操作。
多态性有两种主要形式：

• 编译时多态性（静态多态性）：这是方法的重载和方法的重写，它们在编译时确定方法调用的方式。方法的重载是指在同一个类中有多个方法，但它们具有相同的名称，但不同的参数列表。方法的重写是指派生类可以覆盖基类中的方法，以提供自己的实现。
• 运行时多态性（动态多态性）：这是多态性的经典形式，它允许在运行时根据对象的实际类型来确定方法调用的方式。这通常涉及到继承和方法覆盖。在运行时，基于对象的实际类型，可以调用适当的方法实现。

落到这个例子上，多态是如何实现的呢？首先我们定义一个Moster基类，包含一个virtual修饰的Attack方法，其他怪物子类继承这个基类，在子类中重写（覆盖）这个Attack方法。

class Monster
{
    public virtual void Attack()
    {
        Console.WriteLine($"怪物攻击了！");
    }
}
class Troll : Monster
{
    public override void Attack()
    {
        Console.WriteLine($"巨魔挥舞着大棒攻击！");
    }
}
class Wizard : Monster
{
    public override void Attack()
    {
        Console.WriteLine($"巫师发射了火球攻击！");
    }
}
class Dragon : Monster
{
    public override void Attack()
    {
        Console.WriteLine($"恶龙喷射火焰攻击！");
    }
}

假设场上的怪物都用List<Monster> monsters来存储，我们遍历这个列表，调用Attack方法时，根据每个怪物的实际类型，会自动执行对应的攻击方式。

foreach (Monster monster in monsters)
{
    monster.Attack();
}

多态性的优势在于可以将不同类型的对象当作通用的基类对象处理，从而提高代码的可重用性、可维护性和可扩展性。多态性使代码更具灵活性，能够处理不同情况下的相同方法调用，从而更好地模拟现实世界的复杂性。
多态的优点主要有：

• 提高代码的灵活性和通用性：多态性允许将不同类型的对象视为其共同的基类对象，从而编写通用代码，可以处理多种不同类型的对象。这提高了代码的通用性和灵活性。
• 简化代码：使用多态性可以减少重复的代码，因为可以将通用的操作应用于多个对象，而不需要为每个对象编写特定的操作。
• 支持动态绑定：多态性允许在运行时动态地选择要调用的方法，而不需要在编译时知道对象的具体类型。这提供了更大的灵活性，适应不同的运行时条件。

总结

总之，封装、继承和多态性有助于构建更安全、可维护、可扩展和通用的软件系统。它们提供了一种有效的方式来管理复杂性，降低代码的复杂性，从而更好地满足现实世界问题的需求。